一種高隔離的小型化徑向功率分配/合成器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及微波毫米波頻段的空間功率合成技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高隔離的小型化徑向功率分配/合成器。
【背景技術(shù)】
[0002]如今毫米波、亞毫米波通信技術(shù)正在由研宄步入實(shí)際應(yīng)用。隨著工作頻率的升高，半導(dǎo)體固態(tài)器件的功率容量下降，單個(gè)器件的輸出功率難以滿(mǎn)足通信電子系統(tǒng)需求，人們一般采用功率合成網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率固態(tài)功率器件。功率合成技術(shù)的研宄重心是探索哪種合成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)最大效率的寬帶大數(shù)目的功率合成。
[0003]在各種功率合成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，徑向功率分配/合成器是研宄的熱點(diǎn)之一。該結(jié)構(gòu)通常是通過(guò)圓對(duì)稱(chēng)傳輸線(xiàn)在一個(gè)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的中心饋入輸入信號(hào)，然后在圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的周?chē)龆鄠€(gè)輸出端口實(shí)現(xiàn)一次分配多路信號(hào)。相對(duì)于常見(jiàn)的二進(jìn)制樹(shù)形結(jié)構(gòu)，徑向功率分配/合成器具有可以一次性完成大數(shù)目的功率分配/合成，插入損耗基本不受合成路數(shù)影響的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于大數(shù)目的功率合成。同時(shí)徑向功率分配/合成器在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性保證了其功率分配在幅度和相位上的一致。
[0004]徑向功率分配/合成器的實(shí)現(xiàn)形式有很多種，目前主流方案是采用同軸SMA接頭直接輸入或者矩形波導(dǎo)-同軸波導(dǎo)的饋電方式，在徑向波導(dǎo)腔體中傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM模。此種徑向結(jié)構(gòu)的功率容量被同軸波導(dǎo)的功率容量所限制，也有學(xué)者提出一種使用Marie型矩形波導(dǎo)-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸入的饋電方式，相對(duì)于使用同軸輸入而言，將有更高的功率容量。但是該模式轉(zhuǎn)換器在垂直徑向圓盤(pán)的方向尺寸比較大，而且沒(méi)有專(zhuān)門(mén)提供端口隔離的措施。
[0005]徑向功率分配/合成器的另一設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于難以實(shí)現(xiàn)輸出端口匹配且隔離。而對(duì)于功率分配/合成器，其輸出端口的隔離性是一個(gè)重要的指標(biāo)。應(yīng)用端口隔離的功率分配/合成器，合成放大器的放大器單元相互獨(dú)立，也可以有效避免自激等問(wèn)題。另一方面，高隔離合成器也會(huì)使得合成放大器的失效特性良好，即當(dāng)存在放大器單元損毀時(shí)，其余放大器仍可以正常工作，輸出功率只會(huì)按一個(gè)可預(yù)測(cè)的比例掉落。
[0006]為了提高徑向功率分配/合成器的性能，人們提出了多種實(shí)現(xiàn)手段和改良方法，下面介紹一下這些結(jié)構(gòu)。
[0007]1984 年，Ting-1h Hsu 等人在 IEEE MTT-S Internat1nal 上的報(bào)告“A WIDEBAND60GHz 16-WAY POWER DIVIDER COMBINER NETWORK” 中，提出了一種使用在 60GHz 頻段，使用矩形波導(dǎo)輸入，采用矩形波導(dǎo)-徑向波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)16路功率分配，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，該結(jié)構(gòu)通過(guò)矩形波導(dǎo)(“RECTANGULAR WAVE⑶IDE”)進(jìn)行信號(hào)輸入，并通過(guò)匹配結(jié)構(gòu)(“WAVE⑶IDE-TO-COAX MATCHING BEAD”)進(jìn)行輸入矩形波導(dǎo)到同軸波導(dǎo)的阻抗匹配，而“COAX-TO-RADIAL LINE MATCHING BEAD”則是完成從同軸波導(dǎo)到徑向波導(dǎo)的匹配結(jié)構(gòu)，最后再通過(guò)徑向波導(dǎo)(“RADIAL WAVE⑶IDE”)端口輸出。該結(jié)構(gòu)沒(méi)有完全解決輸出端口如何隔離的問(wèn)題，尤其是兩個(gè)相對(duì)的端口。此外，其功率容量也受到同軸波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)的限制。
[0008]2009 年，Kaijun song 等人在 TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES上發(fā)表了題為“Planar Probe Coaxial-ffaveguide Power Combiner/Divider”的文章，使用同軸SMA接頭輸入信號(hào)，采用微帶探針伸入腔體中得到了 10路端口輸出，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)一個(gè)SMA連接頭(SMA Connector)進(jìn)行信號(hào)輸入，在由InnerConductor和Outer Conductor形成的波導(dǎo)腔體中傳輸準(zhǔn)TEM模，最后完成波導(dǎo)-微帶線(xiàn)轉(zhuǎn)換輸出。該結(jié)構(gòu)適用于微波頻段或毫米波頻段低端，而隨著頻段變高，微帶結(jié)構(gòu)損耗大的缺點(diǎn)將會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。
[0009]2008年，Larry ff.Epp等人在專(zhuān)利號(hào)為US7385462中提出一種新的結(jié)構(gòu)“WIDEBANDRADIAL POWER COMBINER/DIVIDER FED BY A MODE TRANSDUCER”，該結(jié)構(gòu)使用 Marie 型矩形波導(dǎo)-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器作為輸入饋電方式，結(jié)構(gòu)如圖9所示，該結(jié)構(gòu)通過(guò)矩形波導(dǎo)端口 16輸入信號(hào)，并通過(guò)Marie型矩形波導(dǎo)_圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器10進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，在徑向功率分配結(jié)構(gòu)20中完成功率分配后從矩形波導(dǎo)端口 22輸出，標(biāo)號(hào)30代表波導(dǎo)匹配負(fù)載。但是這種Marie型模式轉(zhuǎn)換器在垂直徑向圓盤(pán)的方向尺寸比較大，而且未提供端口隔離的有效解決方式。
[0010]2011年，中國(guó)專(zhuān)利201120423948.X中，提出了一種使用空氣微帶的徑向功率合成放大器6，結(jié)構(gòu)如圖10所示，其采用矩形波導(dǎo)11進(jìn)行信號(hào)輸入，41是矩形波導(dǎo)端口。該放大器結(jié)構(gòu)上采取了一個(gè)功率分配器和一個(gè)合成器(8和9)背靠背連接的形式，61和62是有源功率放大器模塊。該專(zhuān)利采用矩形波導(dǎo)-同軸波導(dǎo)作為輸入方式，為了實(shí)現(xiàn)端口匹配和隔離，抑制高次模式，引入了空氣微帶線(xiàn)并在相鄰空氣微帶線(xiàn)之間覆蓋薄膜電阻片。該電阻片是覆蓋在腔體開(kāi)槽的底部。但是，該結(jié)構(gòu)也沒(méi)有解決位置相對(duì)的端口隔離的問(wèn)題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種高隔離的小型化徑向功率分配/合成器。
[0012]本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0013]一種高隔離的小型化徑向功率分配/合成器，其特征在于:包括一個(gè)插入電阻膜片的徑向功率分配/合成器和一個(gè)矩形波導(dǎo)-圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；所述插入電阻隔膜的徑向功率分配/合成器包括輸入圓波導(dǎo)端口、阻抗變換結(jié)構(gòu)、一個(gè)以上輸出矩形波導(dǎo)，以上三種結(jié)構(gòu)依次連接；所述矩形波導(dǎo)-圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括順序相連的輸入矩形波導(dǎo)、一分四路功率分配網(wǎng)絡(luò)、波導(dǎo)擴(kuò)大過(guò)渡結(jié)構(gòu)、輸出圓波導(dǎo)。
[0014]所述的輸入圓波導(dǎo)，其底部用匹配凸臺(tái)結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)端口匹配；一個(gè)以上減半高度的輸出矩形波導(dǎo)呈放射狀與圓波導(dǎo)進(jìn)行連接，在波導(dǎo)腔體中，相鄰兩個(gè)減半高度的輸出矩形波導(dǎo)端口間的分支位置處徑向插入電阻膜片；減半高度的輸出矩形波導(dǎo)再通過(guò)阻抗變換結(jié)構(gòu)與全高度輸出矩形波導(dǎo)進(jìn)行連接，最后輸出。所述的減半高度的矩形波導(dǎo)端口與全高度矩形波導(dǎo)間用過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，該過(guò)渡結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗匹配，可以用多種匹配結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，比如:單節(jié)四分之一阻抗變換器、多節(jié)四分之一阻抗變換器、切比雪夫阻抗變換器和漸變傳輸線(xiàn)。
[0015]所述的輸入圓波導(dǎo)的內(nèi)徑初始值按照如下公式確定:R= λ/1.64，其中λ為導(dǎo)波波長(zhǎng)。圓波導(dǎo)的內(nèi)徑初始值的實(shí)際尺寸需要通過(guò)仿真優(yōu)化進(jìn)行選擇，該模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求做到對(duì)于除TEOl模式以外的其他模式，如TE11、TE21、TE31、TMOl等模式及其極化簡(jiǎn)并模式實(shí)現(xiàn)高抑制度，而對(duì)于所需要的TEOl模式波，則要求損耗盡量小。
[0016]所述的電阻膜片的阻值Z由奇偶模法確定，假定每個(gè)輸出矩形波導(dǎo)的阻抗為Ztl，則Z = 4/2。由于場(chǎng)的不連續(xù)性，需要對(duì)電阻隔膜的阻值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以有效實(shí)現(xiàn)輸出端口之間的匹配和隔離。
[0017]所述的一分四路功率分配網(wǎng)絡(luò)包括兩級(jí)矩形波導(dǎo)E-T分支功分器，在每一級(jí)的矩形波導(dǎo)E-T分支功分器的垂直拐彎位置設(shè)置了用于消除拐彎處不連續(xù)性的匹配切角。匹配切角的尺寸通過(guò)仿真優(yōu)化進(jìn)行選擇，所述波導(dǎo)擴(kuò)大過(guò)渡結(jié)構(gòu)將矩形波導(dǎo)端口的尺寸擴(kuò)大，以使得與圓波導(dǎo)連接時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶的阻抗匹配。
[0018]所述的高隔離的小型化徑向功率分配/合成器為全波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，輸入輸出端口均為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)端口。
[0019]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0020]1、本實(shí)用新型主要是通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型矩形波導(dǎo)-圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化，所謂的模式轉(zhuǎn)換指的是將標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)中傳輸?shù)腡ElO模式轉(zhuǎn)換為圓波導(dǎo)中傳輸?shù)乃枰腡EOl模式，但是與過(guò)去的成果(比如專(zhuān)利US7385462中使用的Marie型模式轉(zhuǎn)換器)不同，其通過(guò)兩級(jí)四路功率分配網(wǎng)絡(luò)將矩形波導(dǎo)輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)化為相位正交的四路信號(hào)饋入圓波導(dǎo)中，成功激勵(lì)起TEOl模式場(chǎng)，同時(shí)通過(guò)一系列彎折結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的體積大大減小。
[0021]2、本實(shí)用新型提出的高隔離的小型化徑向功率分配/合成器，可以實(shí)現(xiàn)一次功分多路，寬帶，低損耗，小型化，易于裝配，且端口隔離的功率分配/合成。
[0022]3、相比傳統(tǒng)使用同軸或同軸探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)輸入的徑向功率分配器，本實(shí)用新型使用了矩形波導(dǎo)-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為信號(hào)輸入方式，由于是全波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，功率容量得到提高，同時(shí)沒(méi)有介質(zhì)損耗，只有很低的導(dǎo)體損耗，因此具有低損耗的優(yōu)點(diǎn)。
[0023]4、相比過(guò)去的模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可以完成從矩形波導(dǎo)TElO模到圓波導(dǎo)TEOl模的轉(zhuǎn)化，同時(shí)體積減小、結(jié)構(gòu)緊湊、模式抑制度高。
[0024]5、本實(shí)用新型的徑向功率分配/合成器，通過(guò)直接在腔體中插入電阻隔膜，實(shí)現(xiàn)很好的端口匹配和隔離。同時(shí)，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)過(guò)渡和波導(dǎo)彎折結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬帶工作。
[0025]6、本實(shí)用新型主要是通過(guò)電阻隔膜技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)端口高隔離度，與傳統(tǒng)技術(shù)不同點(diǎn)在于以往電阻膜片都是覆蓋在開(kāi)槽或空氣微帶上(比如專(zhuān)利201120423948.X)，本實(shí)用新型所述電